Affaissement minier

Affaissement minier

Le comblement des vides souterrains laissés par l'exploitation minière conduit à deux sortes de désordres superficiels :

  • les affaissements, sans ouverture de cavité en surface,
  • les effondrements dans le cas contraire.

Un phénomène d'affaissement relativement lent et progressif (pouvant durer des décennies) se produit lorsque les terrains sont plutôt plastiques et que la profondeur d'exploitation est importante par rapport à l'épaisseur de la taille.
Il résulte le plus souvent d'un choix délibéré d'exploitation par foudroyage (exploitation totale du minerai à l’aide d’un coffrage marchant). Ce phénomène est observé par exemple dans le bassin minier du Nord-Pas-de-Calais.

Un phénomène d'effondrement brutal, au contraire, peut intervenir par rupture brutale du toit de l'exploitation. Il conduit à une variation instantannée de la topographie locale (cuvette d’affaissement) voire, lorsque la profondeur de l’excavation est faible relativement à son épaisseur, à un trou béant en surface qualifié de « fontis » (à ne pas confondre avec les dolines dues au phénomène naturel de dissolution karstique).
L’effondrement peut être délibéré mais il est généralement la conséquence accidentelle de l’évolution des chambres à piliers après l’abandon de l’exploitation (cas de certaines mines lorraines ou des carrières souterraines de craie en Normandie par exemple). La capacité de résistance des piliers se dégrade en effet sensiblement à long terme : leur aire de soutènement peut diminuer par écaillement et leurs propriétés mécaniques peuvent changer en présence d’eau.

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Sommaire

Influence de l’eau sur la stabilité mécanique des sites miniers à l'abandon

L’exploitation minière exige souvent d’avoir recours à un pompage d’assèchement (exhaure) pour rabattre la nappe phréatique et éviter l'inondation des galeries et autres excavations. Au terme de l’exploitation, si l’on ne poursuit pas l’exhaure, la mine s'ennoye progressivement : le niveau de la nappe remonte jusqu'à trouver un nouvel état d’équilibre hydrogéologique (le temps nécessaire au rééquilibrage du niveau phréatique pouvant varier de quelques mois à quelques décennies).

L'effet de l'eau sur la stabilité mécanique des exploitations minières abandonnées est un phénomène complexe, qui peut se traduire aussi bien positivement que négativement. Il est établi qu’une roche saturée en eau perd de sa résistance, dans des proportions qui diffèrent grandement d’une roche à l’autre (de manière générale, les matériaux siliceux sont plus sensibles à l'eau que les matériaux calcaires). En revanche, la pression hydrostatique peut jouer un rôle de support du toit (déjaugeage) qui soulage les piliers, à condition que cet effet ne soit pas contrebalancé par la perte de confinement horizontal à l'intérieur des piliers. Les principaux risques se rencontrent cependant pendant la phase transitoire d’ennoyage, au cours de laquelle de fortes pressions hydrauliques peuvent augmenter sensiblement la fracturation du milieu.

Bassin houiller du Nord-Pas-de-Calais

L'exploitation houillère a porté sur des veines de faible épaisseur (quelques mètres au maximum) et à grande profondeur (plusieurs centaines de mètres). La plupart des compagnies minières ont travaillé selon la technique du foudroyage, pour des raisons d'économie, le remblayage coûtant trop cher. Le résultat en a été la création de vastes cuvettes atteignant jusqu'à 17 mètres de profondeur (en règle générale, on estime que l'affaissement total atteint 80 % des épaisseurs cumulées des différentes veines exploitées).

Ces déformations de terrain n'ont pas eu de conséquences notables sur les constructions (habitations, ouvrages d'art, etc.) situées au cœur des zones affaissements. Par contre, celles qui étaient en périphérie, ont subi à la fois des mouvements de bascule et des sollicitations de traction (dues à l'étirement des sols) entraînant de graves dommages et souvent leur ruine.

Le même mécanisme a également perturbé le fonctionnement des réseaux d'assainissement allant jusqu'à l'inversion de leur sens d'écoulement et provoquant souvent leur rupture, renforcant la pollution du sous-sol et des nappes. La mauvaise qualité persistante de la nappe phréatique dans l'ancien bassin minier du Nord et du Pas-de-Calais et notamment sa forte teneur en nitrates provient en grande partie de ce phénomène. Cela d'autant plus que, conscientes de la vulnérabilité des réseaux et de leur manque d'efficacité en de pareilles circonstances, les compagnies minières s'étaient souvent dispensées d'en conduire en dehors des centres urbains.

D'une façon générale, les affaissements miniers sont à l'origine de modifications irréversibles des écoulements de surface qui ont nécessité la construction de stations de relevage des eaux usées et pluviales. Cette situation a compliqué le développement urbain puisque les populations sont exposées aux inondations en cas de défaillance des équipements.

Noyelles-sous-Lens, la station de relèvement en bordure du canal de Lens

À Noyelles-sous-Lens, il a fallu rehausser plusieurs fois les berges du canal de Lens (la Deûle) pour maintenir son écoulement en dépit des affaissements miniers. Les terrains voisins sont désormais six mètres en dessous du niveau du canal. Une station de relèvement a dû être construite ; elle pompe non seulement les eaux pluviales qui n'ont plus d'exutoire gravitaire, mais aussi la nappe phréatique aujourd'hui résurgente dans ce secteur et donc source potentielle d'inondation elle aussi.

La situation est identique sur l'autre rive, à Loison-sous-Lens où existe un autre poste de relèvement.

Les problèmes hydrauliques dans l'ancien Bassin minier du Nord-Pas-de-Calais sont encore suffisamment présents pour que le schéma directeur d'aménagement et de gestion des eaux (SDAGE) lui consacre un volet spécifique. [2] Il s'agit à la fois de préoccupations liées aux affaissements miniers, eaux de surface (postes de relèvements) et « remontée » de nappe phréatique mais également de préoccupations liées à la mise en communication de la nappe du carbonifère avec la nappe phréatique de la craie. [3]

Bassin ferrifère de Lorraine

L'exploitation minière désormais terminée a laissé, du fait de la méthode employée "par chambres et piliers" de grands volumes de galeries abandonnées. Ces galeries se trouvent à des profondeurs variant, selon les zones de quelques mètres à près de deux cents mètres de profondeur. La méthode d'exploitation était basée sur le principe que, en laissant des piliers de dimensions suffisantes, ces piliers seraient capables de résister dans le temps, sans s'effondrer. Les experts de l'époque avaient cependant sous-estimé la perte de résistance de ces piliers dans le temps.

Des sinistres récents, à partir de 1996 notamment, ont amené à reconsidérer complètement le problème et à étudier le risque de mouvement de terrain. Des études menées depuis 1997 ont permis de caractériser plusieurs types de risques :

Le fontis

Article détaillé : Fontis.

Le fontis est l'apparition soudaine en surface d'un entonnoir de quelques mètres de rayon et quelques mètres de profondeur. Les dimensions du fontis dépendent de l'importance du vide et de la nature des terrains qui le séparent de la surface. Le fontis fait suite à une dégradation progressive de la voûte d'une galerie qui remonte peu à peu dans le recouvrement, jusqu'à percer au jour. Le fontis ne se produira pas si la galerie est suffisamment profonde, car le foisonnement des blocs du toit vient combler le vide avant qu'il n'atteigne la surface. Le risque de fontis peut également être écarté si un banc épais et résistant arrête la dégradation progressive.

L'affaissement progressif

L'affaissement progressif peut survenir au-dessus d'une exploitation par chambres et piliers. Il se traduit par la formation en surface d'une cuvette de quelques dizaines à quelques centaines de mètres de diamètre. Au centre de la cuvette les terrains descendent verticalement. Sur les bords, les terrains se mettent en pente avec un étirement sur les bords extérieurs (ouverture de fractures) et un raccourcissement sur les bords intérieurs (apparition de bourrelets). L'affaissement de la surface se produit généralement progressivement en quelques jours ou en quelques mois selon une dynamique propre au contexte minier et géologique. Les bâtiments en surface sont sensibles à la mise en pente des terrains ainsi qu'aux effets d'extension dans la zone d'étirement et de compression dans la zone de raccourcissement. Les effets sont d'autant plus élevés que l'amplitude de l'affaissement au centre de la cuvette est grande et que la profondeur des travaux miniers est faible. Les bâtiments sont d'autant plus vulnérables qu'ils sont longs et élancés.

L'effondrement brutal

Dans certains cas, la ruine de l'édifice minier ne se fait pas progressivement mais on observe l'effondrement en bloc de l'ensemble des terrains compris entre le fond et la surface. L'effondrement de la surface se produit alors de manière dynamique, en quelques secondes. Une forte secousse tellurique est ressentie. Les bords de la zone affectée sont plus abrupts que dans le cas de la cuvette d'affaissement, des crevasses ouvertes y apparaissent. Pour qu'un effondrement brutal se produise, deux conditions au moins doivent être remplies : - Les travaux du fond doivent être très fragiles (fort taux de défruitement, piliers élancés) : Ceci constitue le critère géométrique. - Un banc épais et résistant doit exister dans le recouvrement. La rupture de ce banc qui protégeait les piliers du poids des terrains déclenche le processus d'effondrement. Ceci constitue le critère géologique.

La prévention et gestion des risques

Station de surveillance du gaz résiduel (méthane) émanant du bassin minier du Nord Pas de Calais. En raison des affaissements et de la remontée progressive de la nappes, ce gaz est surveillé.

Le risque d'effondrement brutal est jugé relativement stabilisé dans les bassins houillers en France, sans certitude absolue, mais les mouvements de terrain dans le bassin ferrifère peuvent encore se produire. Ils constituent donc des risques que l'État doit gérer : cela se traduit en particulier par des mesures préventives de surveillance et de maîtrise de l'urbanisme. L'INERIS a instrumenté de nombreux capteurs 2005 à 2008 en France une carrière souterraine de sel exploitée par dissolution du sel par l'eau destinée à un effondrement volontaire, près de Nancy. Il s'agit de repérer les signes précurseurs de l'effondrement d'une grande cavité (ici située à moins de 200 m de profondeur et mesurant 150 à 160 m de diamètre et une hauteur d'environ 50m), pour ailleurs mieux les détecter[1].

Il ne semble pas y avoir de problème d'acidification minière en France, mais ce phénomène peut avoir de graves conséquences là où il existe (sur un site aux USA, un lac extrêmement acide (pH 1) s'est ainsi formé, l'acidité du milieu favorisant la circulation des métaux lourds toxiques).

Restent des problèmes liés à la pollution des sols et donc des nappes, et au fait que les affaissements ont souvent fracturé les réseaux de distribution d'eau potable et les réseaux d'égouts qui fuient abondamment.

Enfin dans les bassins houillers dont celui du Nord-Pas-de-Calais, une production continue de méthane (CH4, dit grisou en zone minière) perdurera longtemps. Dans le Nord de la France (plus grand bassin minier souterrain exploité du monde), une partie est récupérée par Méthamine et injectée dans le réseau de gaz, mais aux extrémités est et ouest du bassin, le gaz s'enfuit dans l'air, or le méthane est 21 fois plus actif pour l'effet de serre que le CO2.

Voir aussi

Bibliographie

  1. D. PETIT, 1998, Rapport définitif de l'ingénieur général D. PETIT relatif à la maîtrise des séquelles techniques à long terme des exploitations minières. [4]
  2. E. TINCELIN, 1982, La stabilité de la surface à l'aplomb des exploitations souterraines en mines métalliques ou assimilées - piliers abandonnés ou îlots.

Liens externes

  • Page "Après Mines" du site de la DRIRE Lorraine[5]
  • Page "Mines" du Conseil Général des Mines [6]

Notes et références

  1. [1] Lettre d'information INERIS, Avril 2008]
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